雷达资讯|半实物仿真雷达终端实验箱（视频）
技术背景及意义
在雷达的训练、教学和科研中，受限于实际雷达设备价格昂贵、寿命件损耗、体积庞大、电磁辐射管控等因素，雷达实验系统可能难以依托实装开展。而且，使用真实雷达因为受到架设环境的限制，难以得到复杂情况的探测回波，无法构建在发现、跟踪和识别目标方面的综合环境。因此，建立雷达仿真平台，就成为了一种有效的手段。
国内外许多机构开展了相关的研究工作，取得了一定的成果：如德国SkyRadar公司推出了雷达培训系统；国防科技大学、空军工程大学、北京理工大学、西安电子科技大学等高校结合一线教学需求和科研项目需要，推出了各有特色的雷达教学试验系统。但是，雷达实验配套设备系统仍相对缺乏，很多高校虽推出了多种实验课程平台，但大都立足自用，定制化需求多。也有部分企业推出了面向射频端的产品，但配套仪器仪表（频谱仪、扫频仪等）价格昂贵，不利于批量部署，同时存在着重雷达前端、轻雷达终端的问题。雷达终端是雷达的重要组成部分，负责雷达原始视频的获取、信号和数据处理、一次二次信息综合显示、整机状态监控、外部信息交互等功能，用户绝大部分操作都需要通过雷达终端来开展。但雷达终端因为涵盖到信号处理、数据处理、综合显控等方面，代码量动辄数十万行，需要投入相当的软件开发工作量，门槛较高。这一现象导致面向雷达终端方面的实验平台解决方案缺乏，学生往往难以接触到最终雷达画面。
在国防科技大学、空军预警学院、哈尔滨工业大学、信息工程大学等高校雷达专业的需求牵引下，西安雷海信息科技有限公司基于自身多年在雷达信号处理、数据处理和综合显控方面的工程和研究经验，以雷达终端为切入点，按照“以点带面、有所侧重、手段多样、接口开放、持续升级”的原则设计，系统性突破了协同GPU的软件化雷达扫描变换、基于分区映射的盲点补偿方法、基于动态规划的弱小目标检测技术、杂波环境下弱小目标自动跟踪等关键技术，研制出了一款半实物仿真雷达终端实验箱，已在多个高校和研究院所部署，有力支撑了教学、训练、科研等方面的应用需求。
主要技术参数
该实验箱针对教学、科研、训练等场景，设计了不同类型的实验科目，能够为用户提供基于真实雷达回波及模拟回波的半实物仿真环境，通过听、看、用、做等多种手段，获得直观感性认识，进而深入理解相关知识点，同时，集成了ARM处理器、AD/DA和FPGA。实验箱支持无缝铰链公司自有的雷达数据模拟器，可由相参雷达、杂波、干扰、噪声、运动平台、海空目标等信号级数据驱动，无论是偏向操作使用的训练，还是偏向雷达系统知识点掌握的教学和面向核心技术算法突破的科学研究，都提供了一个可选的仿真验证环境。
图1 实验箱实物图及批量部署图
图2 实验箱主板布局
实验箱的功能模块包括：显示模块、信号处理和综合显控模块、接口转换模块、AD/DA模块、FPGA模块、网络模块、大容量存储模块、输入输出模块共8个模块组成，所有模块均采用模块化思路进行高度集成，主要技术参数和关键特性有：
信号处理和综合显控模块采用四核ARMCortex-A9处理器+嵌入式linux操作环境；
集成高性能FPGA和AD/DA模块,便于开展硬件模块实验；
提供数百G真实环境采集的多种剧情雷达原始视频数据；
支持真实雷达视频接入显示；
可基于记录数据完成恒虚警、增益控制等信号处理功能；
具备目标跟踪和录取功能；
源于实装的专业雷达综合显控；
支持外部传感器（如GPS/北斗等）引接；
内置雷达专用键盘以及通用键盘；
支持二次开发，提供全套文档资料和C++源代码/matlab源代码参考；
独立开展相参、非相参雷达数十个实验科目，涵盖等不同场景；
可根据用户规模灵活部署不同数量的实验箱。
支持的实验类型
实验箱提供的实验类型包括：演示性实验、交互性实验、专项实验和综合实验，分别介绍如下。
（1）演示性实验
实验箱中内置了多种场景的操作教学视频，视频包括实验箱使用说明、杂波、同频干扰、雨雪抑制、恒虚警、增益控制等内容，结合声音、指示灯、字幕等多种形式，让用户以“看”的方式，以直观感受观察专业的雷达终端界面。
（2）交互性实验
主要利用雷达实验箱开展信号处理、数据处理和综合显控相关的实验科目，主要帮助学生了解典型的雷达终端操作。实验包括雷达终端界面组成和布局、量程切换、参数配置信号处理、标绘、目标干预等操作。
本实验类型侧重于用户操作，即“用”，典型场景是用户根据学习需要按照规定的步骤完成相应的实验内容。
（3）专项实验
专项实验涵盖内容广泛，通过专项实验，帮助用户从各个知识点内部掌握实现原理，是重要的进阶内容。
专项实验提供编程二次开发框架，学生可以针对信号处理、信息处理、显示模式等方面自主开展课程设计，培养学生对于技术原理的熟悉和掌握、嵌入式软件编程能力、自主学习能力和创新思维能力；同时，也可以帮助相关研究人员快速构建开发环境，构建专项算法验证环境。
通过同多个高校的需求对接和测试完善，专项实验可以提供的实验科目见图3。配套的实验指导书会给出每个实验的目的、设备、内容及步骤、原理介绍、示例程序清单、实验报告内容和思考题。
图3 专项实验科目
（4）综合实验
综合运用多种手段，融入多雷达外设、并综合模拟器、噪声、信号处理、数据处理、显示控制等技术点，深入学习、理解雷达方面的知识。专项实验侧重于“点”，而综合实验将“点”串成“线”和“面”。综合实验对于用户有更高的要求，需要学员在对雷达知识具有一定认识后，自主动手编写程序，实现具体功能，主要包含数据关联算法实验、目标跟踪滤波实验、航迹起始实验。
典型应用
半实物仿真雷达终端实验箱具有成本低、功能完备、接口开放、结构紧凑、易于部署等特点，提供了多种实验类型，可广泛应用于科研、教学、训练、展示等多种场景。
（1）教学
半实物仿真雷达终端实验箱已成功应用于电子信息工程专业一流本科教学任务中，一期部署15套设备。学生在已经学习的信号与系统、模拟电子线路、数字电路、电磁场与电磁波等课程的基础上，在学习雷达原理、雷达系统课程的同时，两人一组，利用实验箱开展交互性实验，不仅直观了解了P显、A显、B显、表页等雷达终端的显控要素，而且通过实际操作，对脉压、信号处理、数据处理、信息融合的效果有了较强的感性认识，很好的起到了课程理论知识与实践应用的纽带作用，显著提升了总体教学质量。
图4 学生在开展实验
（a）脉压前 （b）脉压后
图5 模拟视频脉压前后对比展示
（2）科研
半实物仿真雷达终端实验箱已成功应用于高校对海雷达探测算法研究中，研究人员利用实验箱内置的多种平台（岸基、船载）、多种气候条件（白天、雨天、雪天等）、多种体制（相参、非相参）等的模拟和真实数据开展验证工作，只需专注于核心算法研究，通信、信息输入和展示均由实验箱完成，精力更为集中，快速构建了学术成果到应用的桥梁，为发表高水平论文和申报专利提供支撑。
图6 信号检测处理前
图7 信号检测处理后
（3）训练
在航海类院校中，航海技术专业要求该专业学生在毕业时既要获得学历证书，又要获得由国家海事局颁发的海船三副适任证书或内河船舶三副适任证书。雷达作为船舶导航的关键设备，航海雷达操作与应用一直是航海技术专业的骨干课程，一般会设置“雷达操作与应用”和“航海雷达”课程。针对雷达导航，雷达人工标绘和自动雷达标绘仪(ARPA)、AIS报告目标、试操船均具有实际操作的考核要求。半实物仿真雷达终端实验箱内置了交汇、穿越、AIS、航道等多种场景的雷达原始数据，专门提供了雷达基本操作与设置、雷达定位、人工标绘、ARPA等实验科目，可有效支撑课程教学和课堂实践，提高学生对航海雷达实操能力。
图8 ARPA跟踪效果展示
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编辑：陈琳 于青
审核：贾守新
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